Polime là gì? Cấu tạo, tính chất và ứng dụng của Polymer?

1. Khái niệm Polime là gì?

Polymer hay polime là một loại hợp chất có phân tử khối rất lớn, được hình thành từ nhiều mắt xích liên kết với nhau. Các chuỗi Polime kết nối với nhau thông qua liên kết cộng hóa trị – hai hoặc nhiều phân tử được kết nối với nhau, tạo thành các cặp electron. Hợp chất polymer được hình thành từ các phân tử nhỏ hơn, gọi là monome.

Poli + tên monome.

Nếu tên monome gồm 2 từ trở lên hoặc từ hai monome tạo nên polime thì tên polime đặt trong ngoặc đơn.

Polyetylen (–CH2 – CH2–) n là một ví dụ về một hợp chất Polimer, trong đó –CH2 – CH2– đại diện cho liên kết và n là hệ số trùng hợp. Hệ số polime hóa được gọi là chỉ số n, và độ polime hóa càng tăng thì phân tử khối của polime càng cao.

2. Tính chất vật lý:

Polime thường tồn tại dưới dạng chất rắn và không bay hơi. Chúng không có nhiệt độ chảy cụ thể và có khoảng nhiệt độ khá rộng. Khi được đun chảy, hầu hết polime sẽ trở thành chất lỏng nhớt và khi nguội lại sẽ đông cứng, được gọi là chất nhiệt dẻo. Tuy nhiên, một số polime khác không thể nóng chảy mà sẽ phân hủy trực tiếp, được gọi là chất nhiệt rắn.

Hầu hết các loại polime không hòa tan trong nước hoặc các dung môi thông thường. Một số ít polymer có thể tan trong các dung môi phù hợp và tạo thành dung dịch nhớt, ví dụ như polibutadien có thể tan trong benzen.

Ngoài ra, Polimer còn có một số đặc tính vật lý như

– Tính dẻo: polietilen, polipropilen,

– Tính đàn hồi: cao su,..

– Dai, có khả năng kéo sợi: nilon -6, nilon -7,..

– Màu trong suốt, không giòn: poli (metyl metacrylat).

– Cách điện, cách nhiệt tốt: polietilen, poli (vinyl clorua).

– Tính bán dẫn: polixetilen, polithiophen.

3. Cách thức phân loại Polime:

Trên thực tế, có rất nhiều hợp chất Polymer tồn tại trong cuộc sống hàng ngày với tính chất phức tạp. Điều này dẫn đến việc có nhiều tiêu chí để phân chia các hợp chất này.

3.1. Dựa vào nguồn gốc:

Polymer được chia làm 3 loại chủ yếu:

Thứ nhất, Polymer có nguồn gốc từ tự nhiên. Ví dụ như: xenlulozo, tinh bột, cao su tự nhiên, …

Thứ hai, Polymer tổng hợp là những chất được tạo ra bởi con người. Ví dụ như Polielen, Poly(vinyl clorua), polyethylene (nhựa PE)...

Thứ ba, Polymer bán tổng hợp là những hợp chất được tạo ra bằng cách lấy chất từ tự nhiên, sau đó chế tạo thành một hợp chất polymer mới. Ví dụ như tơ visco, tơ axetat,...

3.2. Dựa theo phương thức tổng hợp:

Hai phương pháp tổng hợp Polime bao gồm như sau:

Cách tiếp theo là phản ứng trùng hợp, một quá trình kết hợp nhiều phân tử nhỏ giống nhau hoặc tương tự thành một phân tử lớn. Điều kiện cần để các monome tham gia phản ứng trùng hợp là chúng phải có nhiều liên kết hoặc vòng không ổn định có thể bị mở ra.

Ví dụ: CH2 = CH2, CH2 = CH – C6H5

+ Vòng kém bền

Ví dụ: nCH2 = CH-CH = CH2 → ( – CH2-CH = CH-CH2 – ) n

Quá trình trùng ngưng là quá trình kết hợp nhiều phân tử nhỏ thành một phân tử lớn, và đồng thời giải phóng các phân tử nhỏ khác (H2O…). Có thể hiểu đơn giản, trùng hợp là quá trình tổ hợp nhiều phân tử nhỏ lại thành một phân tử lớn. Để thực hiện phản ứng này, các đơn vị tham gia phản ứng cần có ít nhất hai nhóm chức có khả năng tạo liên kết.

Ví dụ:

– n H-NH – ( CH2 ) 5 – CO-OH → ( – NH – ( CH2 ) 5 – CO – ) n + nH2O

– n p-HO-CO-C6H4-CO-OH + n H-OCH2-CH2O-H → ( – CO-C6H4-CO-OCH2-CH2O – ) n + 2 nH2O

Trong trường hợp này, quá trình trùng-cộng hợp diễn ra bằng cách phối hợp các monome với nhau để tạo thành một monome chính thông qua phản ứng cộng (với điều kiện là ít nhất một trong hai chất phải có liên kết đôi). Sau đó, các monome vừa tạo thành sẽ kết hợp với nhau để tạo thành một polymer hoàn hảo.

3.3. Dựa vào cấu trúc:

Thứ nhất, các dạng cấu trúc mạch polime

Mạch không phân nhánh. Ví dụ: amilozơ, polietilen, …

Mạch phân nhánh. Ví dụ: glicogen…

Mạch mạng lưới. Ví dụ: nhựa bakelit, cao su lưu hóa, …

Thứ hai, cấu tạo điều hòa và không điều hòa

Cấu tạo điều hòa: các mắt xích nối nhau theo một trật tự nhất định. Ví dụ:

Cấu tạo không điều hòa: các mắt xích nối với nhau không theo trật tự nhất định. Ví dụ:

4. Tính chất hóa học:

Polime tham gia được với ba phản ứng sau:

Thứ nhất, phản ứng cắt mạch xảy ra khi các liên kết trong mạch polime dễ bị thủy phân. Quá trình nhiệt phân polime trùng hợp xảy ra ở một nhiệt độ nhất định để tạo ra các đoạn ngắn, cuối cùng hình thành các monome ba đầu. Phản ứng nhiệt phân polime thành monome được gọi là phản ứng giải trùng hợp hoặc depolime hóa. Một số polime còn bị cắt mạch bởi quá trình oxi hóa, ví dụ: ((-NH[CH_{2}]_{5}CO-)_{n}+ nH_{2}O rightarrow nH_{2}N[CH_{2}]_{5}COOH).

Thứ hai, phản ứng giữ nguyên mạch xảy ra khi các polime có chứa liên kết đôi trong mạch hoặc có các nhóm chức ngoại mạch có khả năng tham gia trực tiếp vào các phản ứng đặc trưng của liên kết đôi. Ví dụ: (C_{2n}H_{3}nCl_{n} + xCl_{2}rightarrow C_{2n}H_{3n-x}Cl_{n+x} + xHCl).

Thứ ba, tăng tốc độ phản ứng. Trong điều kiện thích hợp (bao gồm nhiệt độ và chất xúc tác), các chuỗi polime có thể liên kết với nhau để tạo thành chuỗi dài hơn hoặc mạng lưới, như là quá trình hóa chất biến cao su thành cao su vulcanized hoặc chuyển nhựa rejol thành nhựa rejit. Trong công nghệ, quá trình liên kết các chuỗi polime tạo thành mạng không gian được gọi là phản ứng khâu chuỗi polime. Ví dụ: Khi nung cao su nguyên chất với lưu huỳnh, ta thu được cao su vulcanized. Trong cao su vulcanized, các chuỗi polime được liên kết với nhau bởi các liên kết -S-S-. Khi đun nóng nhựa rejol, ta thu được nhựa rejit trong đó các chuỗi polime được khâu chặt với nhau bằng các nhóm (-CH_{2}-).

5. Ứng dụng của polime trong đời sống, sản xuất:

Trong đời sống, polime đóng một vai trò rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực như dệt may, sản phẩm văn phòng phẩm, đồ nhựa, vật liệu xây dựng,... Tuy nhiên, ta có thể thấy rõ một số ứng dụng phổ biến như:

5.1. Chất dẻo:

Nhựa dẻo là một loại chất liệu linh hoạt, được sản xuất từ các chất polime. Bên cạnh đó, nó cũng được hỗn hợp với các chất hóa dẻo (nhằm cải thiện tính đàn hồi, hỗ trợ trong quá trình gia công sản phẩm), chất độn (để tăng độ bền cơ học, khả năng chịu nước và nhiệt), và chất phụ gia (dùng để tạo màu sắc, mùi hương, và tăng khả năng chịu nhiệt đối với môi trường). Nhựa dẻo có nhiều ưu điểm như nhẹ, bền, cách điện, cách nhiệt, dễ gia công và có nhiều lựa chọn về màu sắc... Hiện nay, nhựa dẻo đã trở thành sự thay thế cho kim loại, gốm sứ, và thủy tinh trong nhiều lĩnh vực.

5.2. Tơ:

Sợi là tên gọi của những chất polime tự nhiên hoặc phối hợp, với cấu trúc dạng mạch thẳng, có khả năng được kéo dãn dễ dàng thành sợi.

Dựa vào nguồn gốc và quy trình chế tạo, tơ có thể được phân loại thành hai loại chính là tơ thiên nhiên (như tơ tằm, sợi bông, sợi đay) và tơ hóa học - được chế biến từ polime thiên nhiên hoặc các chất đơn giản. Tuy nhiên, tơ hóa học thường được ưa chuộng hơn tơ thiên nhiên vì có các ưu điểm như bền, đẹp, dễ giặt và nhanh khô.

5.3. Cao su:

Cao su là một loại polime có tính đàn hồi, có thể tồn tại dưới hai dạng chính là cao su thiên nhiên và cao su tổng hợp. Cao su có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế khác nhau, bao gồm sản xuất lốp xe, bọc dây điện, áo mưa và áo lặn.

6. Lợi ích và tác hại của Polymer đối với môi trường và sự phản ứng của nhà nước ta:

Sử dụng vật liệu polymer có sự hiện diện rộng rãi trong mọi ngành của cuộc sống. Theo thống kê năm 1996, lượng polymer tiêu thụ trung bình ở các nước công nghiệp phát triển là khoảng 100 kg/năm và ở các nước đang phát triển là từ 1 đến 10 kg/năm. Sự phát triển mạnh mẽ của polymer cũng gây ra những vấn đề về môi trường: Lượng chất thải từ polymer ngày càng gia tăng. Các loại chất thải từ nhựa dẻo như polyetylen, polypropylen, polystyren, polyvinyl clorua, polymetylmetacrylat và các sản phẩm từ cao su gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường vì chúng tồn tại trong đất trong thời gian dài và rất khó phân hủy. Nếu chôn lấp, sẽ tốn diện tích đất và gây ô nhiễm nguồn nước và đất. Nếu đốt, behết tốn kém mà còn gây ô nhiễm do khói bụi, giảm lượng ozone và tạo ra chất hữu cơ khó phân hủy có hại (Persistent Organic Pollutant – POP). Nếu tái chế, sẽ thu được sản phẩm chất lượng thấp và giá thành cao. Có nhiều phân loại polymer phân hủy do môi trường, nhưng phân loại phổ biến nhất hiện nay là polymer phân hủy bởi vi sinh vật và bởi các tác động hóa lý như quang hóa hoặc phản ứng hóa học. Bên cạnh đó, nhờ sự tiến bộ khoa học kỹ thuật, người ta đã nghiên cứu biến tính và kết hợp để tạo ra những sản phẩm và vật liệu mới tốt hơn, phục vụ cho cuộc sống con người mà không gây ô nhiễm môi trường (công nghệ thân thiện với môi trường).

Gần đây, các quốc gia Châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc và Mỹ đã phát triển mạnh mẽ việc nghiên cứu và sử dụng polymer phân hủy do môi trường. Tại Việt Nam, nhận thức về tầm quan trọng của bảo vệ môi trường, Chính phủ đã áp dụng nhiều biện pháp để bảo vệ môi trường. Vào tháng 6 năm 1991, Chính phủ thông qua Kế hoạch quốc gia về môi trường và phát triển bền vững giai đoạn 1991-2000. Bộ Chính trị Đảng Cộng sản Việt Nam đã ban hành chỉ thị 36-CT/TƯ vào tháng 6 năm 1998 nhằm bảo vệ môi trường. Luật môi trường đã được ban hành vào năm 1994. Việt Nam cũng đã tham gia nhiều Công ước quốc tế về môi trường. Trong việc sử dụng vật liệu polymer, các cơ quan liên quan đã khuyến khích giảm sử dụng túi chứa hàng bằng nhựa dẻo. Tuy nhiên, nghiên cứu và sử dụng polymer phân hủy bởi môi trường mới chỉ được nêu ra trong thời gian gần đây và hiện tại đã có một số cơ sở nghiên cứu tại Việt Nam như Viện Hóa học Công nghiệp (Tổng Công ty Hóa chất Việt Nam, Bộ Công nghiệp) và Trung tâm nghiên cứu polymer (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) đã tiến hành nghiên cứu về polymer phân hủy bởi môi trường và đã đạt được một số kết quả ban đầu.